多孔鋼波紋板拱橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及動(dòng)力響應(yīng)分析

胡濱+梁養(yǎng)輝+李祝龍+方詩(shī)圣+郭力源

摘 要：對(duì)自主設(shè)計(jì)的三孔鋼波紋板拱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行野外車(chē)輛荷載試驗(yàn)，得出了不同車(chē)速、不同車(chē)道下三孔鋼波紋板拱橋動(dòng)態(tài)撓度及沖擊系數(shù)的變化規(guī)律；通過(guò)對(duì)有限元計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了建立的模型及邊界條件計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際互相吻合?；谠撃Ｐ?，對(duì)不同車(chē)速下三孔鋼波紋板拱橋動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明：當(dāng)車(chē)輛以一定的速度過(guò)橋時(shí)動(dòng)力效應(yīng)比較明顯，且速度越快動(dòng)力效應(yīng)越大；拱橋的應(yīng)力幅值并不是隨著車(chē)速的增加而增大，臨界速度為40 km·h-1。

關(guān)鍵詞：多孔鋼波紋板拱橋；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；沖擊系數(shù)；動(dòng)力響應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U441.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2017）03-0112-06

Abstract： The variation law of dynamic deflection and impact coefficient of different lanes of the three-hole corrugated steel arch bridge under different vehicle speeds were obtained by conducting the loading test on a independently designed three-hole corrugated steel arch bridge. The comparison between the finite element calculation data and the measured data shows that the established model and the boundary conditions are in good agreement with practical engineering conditions. Based on the model， the dynamic response of three-hole corrugated steel arch bridge under different vehicle speeds was calculated and analyzed. The results show that the dynamic effect is more obvious when the vehicle crosses the bridge at a certain speed， and the dynamic effect is greater as the speed becomes larger； when the vehicle speed exceeds the critical value of 40 km·h-1， the stress amplitude of arch bridge does not increase with the increase of vehicle speed.

Key words： arch bridge with porous corrugated steel plate； structural stability； impact coefficient； dynamic response

0 引 言

鋼波紋板橋涵是采用波紋狀管或由波紋狀弧形板通過(guò)連接、拼裝形成的一種橋涵形式[1-4]。采用鋼波紋板橋涵，不僅可以解決多雨等氣候環(huán)境影響工程質(zhì)量和施工進(jìn)度的技術(shù)難題，而且可以適應(yīng)地基變形，減少不均勻沉降，緩沖地震帶來(lái)的破壞[5-6]。

目前中國(guó)已經(jīng)在單孔鋼波紋板公路涵洞方面進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)研究[7-10]，隨著鋼波紋板結(jié)構(gòu)在公路領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，多孔鋼波紋板公路橋涵在公路工程中的應(yīng)用逐漸增多，而關(guān)于多孔鋼波紋板公路橋涵方面的研究尚未展開(kāi)。為拓展該項(xiàng)目研究及應(yīng)用的高度和廣度，提升鋼波紋板公路橋涵在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的地位，很有必要開(kāi)展多孔鋼波紋板公路橋涵結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究。

本文從野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)有限元數(shù)值計(jì)算兩方面，對(duì)動(dòng)態(tài)荷載作用下多孔鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及動(dòng)力響應(yīng)方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1 測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)涵洞概況

泗許（泗洪至許昌）高速公路為國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，全長(zhǎng)204.5 km，是貫通豫魯蘇皖的經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈。試驗(yàn)涵洞為泗洪至許昌高速公路淮北段FK0+517鋼波紋板拱橋，位于泗許高速公路淮北段的百善互通連接線上，結(jié)構(gòu)形式為3孔，跨徑為4 m，采用半徑為2.164 8 m、中心角為135°的圓弧拱。下部墩臺(tái)均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土或者混凝土結(jié)構(gòu)。墩、臺(tái)帽為C30鋼筋混凝土，墩身、臺(tái)身、側(cè)墻為C25混凝土，基礎(chǔ)為C25鋼筋混凝土，帽石為C30混凝土。鋼波紋拱與墩帽、臺(tái)帽均采用栓接。鋼波紋板拱橋布置見(jiàn)圖1。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

采用標(biāo)準(zhǔn)彎沉車(chē)（整車(chē)重13 t，后軸重9.9 t）對(duì)安徽泗許高速百善出口匝道三孔波紋板橋現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)撓度進(jìn)行測(cè)試，得出三孔波紋板橋在行車(chē)速度為20 km·h-1和40 km·h-1時(shí)動(dòng)態(tài)撓度的變化情況，并進(jìn)行了分析。試驗(yàn)測(cè)試車(chē)輛行駛方向及測(cè)試點(diǎn)位布設(shè)如圖2所示。

試驗(yàn)采用美國(guó)生產(chǎn)的Synergy數(shù)據(jù)采集儀器。該儀器是一臺(tái)基于DSP技術(shù)、內(nèi)嵌PC和多種信號(hào)調(diào)理模塊的集成式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)頻譜分析、抗混疊濾波、強(qiáng)大的板載數(shù)學(xué)運(yùn)算、網(wǎng)絡(luò)控制多機(jī)同步采集和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制采集及存儲(chǔ)等功能[11-12]。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

不同車(chē)速的動(dòng)態(tài)撓度計(jì)算結(jié)果如表1所示，沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下幾點(diǎn)。

（1）由表1可知，當(dāng)車(chē)輛以不同的速度行駛時(shí)，鋼波紋板拱橋不同位置動(dòng)態(tài)撓度由大到小依次為：邊跨行車(chē)道、中跨行車(chē)道、中跨路肩。隨著車(chē)輛行駛速度的增加（從20 km·h-1增加到60 km·h-1），各測(cè)點(diǎn)的撓度逐漸增大。

（2）從表2中可以看出，鋼波紋板拱橋不同位置的沖擊系數(shù)與動(dòng)態(tài)撓度變化規(guī)律相似，即隨著車(chē)輛行駛速度的增加（從20 km·h-1增加到60 km·h-1），各測(cè)點(diǎn)的沖擊系數(shù)逐漸增大，且由大到小依次為：邊跨行車(chē)道、中跨行車(chē)道、中跨路肩。

3 有限元數(shù)值模擬分析

3.1 基本參數(shù)

3.1.1 設(shè)計(jì)荷載

鋼波紋板拱橋的設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)。依據(jù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，鋼波紋板拱橋相關(guān)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

3.1.2 鋼波紋板規(guī)格

由于鋼波紋板截面形狀復(fù)雜，建立土體與結(jié)構(gòu)共用模型不易實(shí)現(xiàn)，常出現(xiàn)剛度奇異現(xiàn)象[13-15]。將波紋鋼板等效為平鋼板再建立分析模型是國(guó)外常用

的分析方法。在國(guó)外的規(guī)范中，可以直接查到規(guī)定型號(hào)的鋼波紋板的截面慣性矩、截面積、抗彎剛度等數(shù)據(jù)，用于結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化分析。中國(guó)還沒(méi)有相應(yīng)規(guī)范，而本工程選用的鋼波紋板并不是國(guó)外規(guī)范中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，所以需要計(jì)算所用鋼波紋板的截面特性數(shù)據(jù)[16]。首先通過(guò)積分方法計(jì)算鋼波紋板的截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再按照抗彎剛度等效的原則，將波紋板等效成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相同的平鋼板進(jìn)行分析。

通過(guò)計(jì)算，本工程采用的波形為150 mm×50 mm×28 mm（壁厚5 mm）的鋼波紋板的截面特性為：截面面積As=6.213 mm2·mm-1；截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩I=1 848.4 mm4·mm-1；等效厚度t′=28.10 mm；等效密度ρ′=1 735.66 kg·m-3。

3.2 模型建立

3.2.1 基本假定

順橋向?yàn)閤軸方向，橫橋向?yàn)閦軸方向，豎直方向?yàn)閥軸方向。

3.2.2 建模過(guò)程

選取shell63四節(jié)點(diǎn)殼單元模擬鋼波紋板，選取solid45八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬土體、橋臺(tái)、橋墩以及路面結(jié)構(gòu)。為了更好地分析鋼波紋板拱橋的受力狀態(tài)，將鋼波紋板附近的單元加密。劃分后單元總數(shù)為167 750個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為154 479個(gè)。

土體和鋼波紋板采用共節(jié)點(diǎn)接觸。建立的模型（等效模型）如圖3所示。

邊界條件為：底面所有位移和扭轉(zhuǎn)自由度施加ALL DOF約束，橫橋向側(cè)立面施加水平位移約束UX，順橋向前后立面施加水平位移約束UZ[17-19]。

3.3 車(chē)輛荷載的施加

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004），車(chē)輛荷載的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。車(chē)輛荷載按照時(shí)程加載，起始時(shí)間為前輪上橋面時(shí)刻，終止時(shí)間為后輪離開(kāi)橋面時(shí)刻。車(chē)輛荷載作用位置為車(chē)道中間。

3.4 有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

通過(guò)建模并施加荷載模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，具體情況見(jiàn)圖4～6。

由于測(cè)試數(shù)據(jù)較多，這里僅取其中具有代表性的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)作對(duì)比分析。大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的有限元計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值非常接近，差異較小，且有限元計(jì)算值所呈現(xiàn)出的應(yīng)變變化規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)一致。

通過(guò)對(duì)三孔鋼波紋板拱橋進(jìn)行力學(xué)性能有限元計(jì)算研究可知：應(yīng)用有限元模型對(duì)鋼波紋板拱橋進(jìn)行計(jì)算分析，其精度滿(mǎn)足工程實(shí)際需求；按照所選的邊界條件分析的結(jié)果與工程實(shí)際擬合比較理想；在對(duì)鋼波紋板拱橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行全面系統(tǒng)的計(jì)算分析是可行的。

3.5 車(chē)速對(duì)鋼波紋板拱橋動(dòng)力響應(yīng)的影響

3.5.1 研究方法

研究三孔鋼波紋板拱橋在不同車(chē)速、不同行車(chē)方式下的動(dòng)力響應(yīng)。

選取車(chē)輛行駛速度為20、40、60、80 km·h-1；選取鋼波紋板拱橋不同測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。編號(hào)2、4、5分別為邊跨四等分點(diǎn)，3、6、7分別為中部四等分點(diǎn)，8、9分別為橫向中部三等分點(diǎn)。選取編號(hào)2～9的結(jié)果，分析鋼波紋板拱橋在車(chē)輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

3.5.2 計(jì)算結(jié)果及規(guī)律分析

通過(guò)有限元計(jì)算得出車(chē)輛荷載以20、40、60、80 km·h-1速度行駛時(shí)鋼波紋板拱橋動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律。節(jié)點(diǎn)2～9（圖7）在不同車(chē)速下的位移、應(yīng)力時(shí)間歷程曲線見(jiàn)圖8～13，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5、6。

綜合分析，可以得到以下結(jié)論。

（1）在同一車(chē)速下，雖然空間位置不同，但位移、應(yīng)力時(shí)程曲線的走向是一致的。同一拱圈內(nèi)，鋼波紋板拱橋跨中的位移比四等分點(diǎn)小，外側(cè)的位移較中部要小，跨中的應(yīng)力比四等分點(diǎn)小。

（2）車(chē)輛荷載勻速通過(guò)橋面時(shí)，會(huì)引起橋面的明顯振動(dòng)，且車(chē)速越大，各位置處的位移時(shí)程曲線在影響線附近波動(dòng)越大（振幅越大），說(shuō)明當(dāng)車(chē)輛以一定的速度過(guò)橋時(shí)動(dòng)力效應(yīng)比較明顯，且速度越快動(dòng)力效應(yīng)也越大。

（3）由圖11～13和表6可以看出，隨著車(chē)速的增加，應(yīng)力延緩現(xiàn)象越發(fā)明顯。應(yīng)力幅值并不是隨著車(chē)速的增加而增大，而是存在一個(gè)臨界速度。車(chē)速為40 km·h-1時(shí)比車(chē)速為20 km·h-1時(shí)應(yīng)力幅值要大，而車(chē)速為80 km·h-1及60 km·h-1時(shí)卻比40 km·h-1時(shí)要小，故建議臨界速度取40 km·h-1。當(dāng)車(chē)速小于臨界速度時(shí)，應(yīng)力幅值隨著車(chē)速的增加呈增大趨勢(shì)；當(dāng)車(chē)速大于臨界速度時(shí)，應(yīng)力幅值隨著車(chē)速的增加而下降，并趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）測(cè)試了不同車(chē)輛行駛速度下三孔鋼波紋板拱橋的動(dòng)態(tài)撓度，并給出邊跨和中跨不同測(cè)試位置動(dòng)態(tài)撓度的大小關(guān)系，計(jì)算了拱橋最大沖擊系數(shù)，得出本工程鋼波紋板拱橋結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

（2）采用底面施加ALL DOF約束、橫橋向側(cè)立面施加水平位移UX約束、順橋向施加水平位移約束UZ的邊界條件所形成的有限元模型，完全可用于鋼波紋板拱橋的計(jì)算，且有限元計(jì)算值所呈現(xiàn)出的應(yīng)變變化規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值一致。

（3）用有限元計(jì)算分析了不同車(chē)速下三孔鋼波紋板拱橋的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果證明：同一車(chē)速下位移、應(yīng)力時(shí)程曲線走向是一致的；解決了拱橋應(yīng)力幅值所對(duì)應(yīng)車(chē)速不可測(cè)的難題，明確臨界速度為40 km·h-1。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉百來(lái)，李祝龍，汪雙杰.鋼波紋管涵洞力學(xué)性能的有限元分析[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（1）：83-86.

[2] 曹興海，黃志福，李祝龍，等.大孔徑鋼波紋涵洞施工技術(shù)[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2013，15（6）：87-89.

[3] 孫伯文，李祝龍，劉洪林.大孔徑鋼波紋涵洞在河北公路中的應(yīng)用研究[J].山西建筑，2010，36（8）：263-264.

[4] 姚孝虎，胡 濱，梁養(yǎng)輝，等.公路鋼波紋管涵洞施工工藝研究[J].山東交通科技，2004（4）：69-70.

[5] 范曉明.淺議鋼波紋管涵在高填方應(yīng)路基上的應(yīng)用[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2012（10）：294.

[6] 明 艷.公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)內(nèi)容[J].黑龍江交通科技，2011（1）：101-102.

[7] 高彥婷，李永剛.溝埋箱形涵洞垂直土壓力的有限元模擬分析[J].科學(xué)之友，2008，27（9）：15-16.

[8] 賈彥武.公路路基鋼波紋管涵洞受力與變形特性室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[9] 郭力源，李祝龍，梁養(yǎng)輝.荷載作用下鋼波紋板小橋土壓力分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2013，30（11）：56-62.

[10] 鄒祥強(qiáng).多孔鋼波紋板拱橋的動(dòng)力響應(yīng)分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[11] 郭力源.低填方荷載條件下鋼波紋板拱橋力學(xué)性能研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2014.

[12] 彭賢明.鋼波紋板橋梁結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[13] 李百建，羅 旭.填土特性對(duì)鋼波紋板結(jié)構(gòu)受力性能影響[J].低溫建筑技術(shù)，2015，37（6）：69-71.

[14] 唐項(xiàng)亮.淺析公路鋼波紋板橋涵應(yīng)用與發(fā)展[J].工程與建設(shè)，2014（5）：605-606.

[15] 方詩(shī)圣，黃志福，鄒祥強(qiáng)，等.車(chē)輛荷載作用下鋼波紋板拱橋應(yīng)變分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，39（6）：823-827.

[16] 姜永昌，張鵬，李凌宜.多孔大直徑鋼波紋管涵施工工藝研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2015，32（8）：78-81.

[17] 馮忠居，烏延玲，賈彥武，等.鋼波紋管涵洞受力與變形特性模擬試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35（1）：187-192.

[18] 烏延玲，馮忠居，王彥志，等.鋼波紋管涵洞受力與變形特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，43（4）：513-516.

[19] 李祝龍，謝曉如，楊志峰.公路鋼波紋管涵洞的連接與拼裝施工控制技術(shù)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2014，31（6）：87-89.

[責(zé)任編輯：王玉玲]